深地震测深在国内的发展与应用现状研究

宋向辉 田晓峰 王帅军 刘宝峰 马策军

1 中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002 2 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京市学院路29号，100083

深地震测深(deep seismic sounding, DSS)又称为人工地震测深或宽角反射/折射地震，是利用人工震源激发的地震波研究岩石圈深部速度结构与界面起伏的探测方法[1]。该技术的目标是通过构建地壳一维与二维速度结构，对不同地块的结构差异进行研究。由于该方法可将地质模型与地球物理结构很好地结合起来，因此迅速在国外得到应用，部分国家和地区已布设大量DSS测线用于研究地壳结构，构建区域三维地壳速度结构模型，并通过SERA(seismology and earthquake engineering research infrastructure alliance for Europe)项目汇总欧洲国家多年来的DSS数据和成果。目前，深地震测深已经成为研究100 km深度以内大陆地壳、上地幔以及15～25 km以内海洋壳幔精细结构的重要方法。

我国人工地震测深工作起始于20世纪50年代末对青海柴达木盆地的深部构造背景进行探测以寻找石油；随后为了进行区域地震烈度综合评判和强震区地震构造特征研究，在局部地区开展人工地震测深实验。1971年国家地震局组建后，人工地震测深工作得到快速发展，在华北、川滇、西北、南北地震带等重点区域先后开展了大量地震测深工程。此外，中国科学院、中国地质科学院等单位在青藏高原、攀西、秦巴等地区也完成了大量人工地震测深工作。20世纪90年代以来，为了探测海洋石油和天然气水合物资源，中国科学院、中国地质调查局等单位在大陆边缘和南海、渤海、黄海以及东海海域开展大量深地震测深工作，促进了我国海洋地震测深工作的飞速发展。但是前人对国内深地震测深工作进展的综述多聚焦于地震测深成果的综合分析与动力学解释[2-7]，而对该技术的资料处理方法及其在不同领域的应用关注较少。

本文通过论文关键词搜索以及共现分析方法，对深地震测深处理方法在国内的发展及其应用现状进行研究，通过对深地震测深、人工地震测深、宽角反射/折射、广角反射等关键词进行搜索，并对与其出现在同一文献中的其他关键词进行关联分析，讨论当前该方法在国内的发展与应用现状。文献统计与可视化分析主要通过中国知网(CNKI)和Web of Science完成，分别对中国知网1985～2020年和Web of Science数据库1990～2020年间的关键词进行搜索，搜索对象包括期刊、会议论文、论文集等，并对搜索结果进行检查，筛除不相关的短讯、会议介绍、投稿须知等，然后对所选文献进行统计和可视化分析。

1 深地震测深资料处理方法

深地震测深的研究目标主要是地壳和上地幔的精细结构，其结果往往以二维地壳速度结构的形式进行展示，研究重点是地壳结构的横向均质性与深浅构造关系。

深地震测深资料的处理大多采用有限差分方法构建基底结构，然后通过射线追踪方法，由走时拟合正演或反演方法对初始模型进行调整，最终获得二维地壳速度结构(图1)。正演拟合方法主要通过Seis83程序包实现，该软件采用试错法对速度模型进行反复调整，最终使理论走时与观测走时达到最佳拟合。但正演方法费时费力，要求解释者具有丰富的资料处理经验，处理结果也由于解释者水平的不同而存在较大差异，且正演方法无法有效评价模型的可靠性以及给出模型的分辨率和不确定性等信息。目前反演方法应用较多，主要是基于射线追踪理论，利用基于正则化的最小二乘法等，通过多次迭代使观测走时与理论走时达到最佳拟合，常用的处理软件包括Fast、Rayinvr、Warrpi、Tomo2D以及Jive3D。但反演中初始模型的建立以及反演参数的选择对反演结果影响较大，需要反复试验参数以提高反演结果的质量。为克服传统正则化反演对模型以及反演参数的依赖，Ryberg等[8]提出非线性的贝叶斯反演方法，该方法采用马尔科夫链蒙特卡洛方式生成多个符合观测数据的速度模型，然后通过改进的平均算法生成最终的速度模型。该方法无需利用先验信息对初始模型进行约束，也无需对反演参数进行反复调试，利用折射波走时就能获得满意的反演结果。

图1 二维动力学射线追踪与走时拟合

由于二维地震测深剖面探测区域的局限性，目前三维地震测深正发展成为研究重点。三维地壳速度模型可以利用爆破点周围台站记录到的走时资料，通过三维走时层析成像方法反演得到[9]；也可以在二维测线资料密集的区域，例如华北和川滇地区等，采用克里金或地质统计插值的方法将不均匀分布的二维地壳结构模型转换为三维模型[3,5]。但由于人工地震测线往往分布稀疏且不均匀，直接插值构建三维地壳模型无法很好地达到逼近真实地层结构的目的，因此需要多种改进的手段以提高插值模型的可靠性。目前基于人工地震测深的三维模型构建主要是采用克里金方法进行插值，其能够最大限度地利用各种地质信息，确定采样点的影响范围以及权重系数，从而赋予待插值点更切合地质实际的和更精确的估计值；同时，对于数据稀疏与空白区域，应当采取相应的措施改善插值效果，提高模型的可靠性。

2 深地震测深结果的应用

利用地震测深资料进行动力学解释主要集中在地壳增厚机制、动力学演化过程、地震活动性以及岩浆底侵作用等方面。此外，随着海陆联测以及海洋地震测深工作的发展，针对大陆边缘的研究逐渐增多，对海陆地壳结构和海洋资源的勘探意义重大。

2.1 地震构造探查中的应用

深地震测深在揭示震源及邻区的深部地壳结构特征、研究地震发生的深部构造环境和孕震机制方面发挥着重要作用。利用人工地震测深所探测到的精细壳幔结构，部分学者对一些强震区域的地震深部构造背景和震源机制进行解剖。东昆仑8.1级地震区的深部构造探测结果显示，壳内低速层是孕育大地震所需的“立交桥”式局部环境必不可少的条件；汶川地震区的深地震测深构造解析结果表明，切割莫霍面的壳幔韧性剪切带向中上地壳扩展会导致应力的高度集中与能量的快速释放，从而引起汶川特大地震的发生；芦山7.0级地震区的速度结构模型表明，壳内滑脱面和低速体与震源位置存在对应关系。王椿镛等[10]对华北强震区的深地震测深结果进行系统分析发现，华北地区大地震的孕育与中下地壳低速异常、上地幔顶部速度偏低、莫霍面局部隆起以及深浅构造不一致等密切相关，为华北地区的地震构造背景分析提供了借鉴。

目前利用地震测深壳幔结构对单一地震发震构造进行研究的工作较多，而讨论区域地壳结构特征与地震分布和地震活动性的研究相对较少。青藏高原东北缘地区的人工地震测深结果显示，该地区中强地震多发生在地壳厚度急剧变化的拐弯处以及中地壳顶部存在低速层的区域内。Teng等[6]对国内不同区域的震源深度特征进行研究，并结合莫霍面深度和地壳速度，讨论了地震活动性与地壳结构之间的联系。从前人关于区域壳幔结构与地震带和板内地震成因的讨论可知，应当加强区域地震测深成果的总结，构建区域壳幔速度结构，加强其与地震分布规律的研究。

此外，人工地震测深方法在水库地震研究中的应用值得关注。印度首次在水库诱发地震的深部构造研究中采用深地震测深技术，为研究1967-12-10 Koyna地区6.3级水库诱发地震提供了深部速度结构的支撑。为研究我国新丰江水库1962年6.1级诱发地震，中国地震局地球物理勘探中心于2009年采用人工地震测深方法对水库深部地壳结构进行研究，发现存在与地震分布对应良好的速度结构异常区，为了解水库诱发地震的深部构造背景奠定了基础[11]。

2.2 矿产资源勘查中的应用

地壳、上地幔速度结构对矿产能源的形成具有一定控制作用，利用地震测深得到的地壳结构对矿产资源的形成与分布规律等进行研究，是深地震测深成果应用的一个重要方向。近年来，为研究成矿带深部结构特征，总结成矿规律，已布设穿过多个成矿带的深地震测深剖面，包括长江中下游成矿带、大兴安岭成矿带、秦岭成矿带、冈底斯成矿带、辽东-吉南成矿带、天山造山带、武夷成矿带、阿尔泰成矿带等。

深地震测深方法得到的地壳速度结构，如地壳分层结构、地壳厚度、低速体、莫霍面等均与矿产资源密切相关，为揭示区域成矿背景和动力学模式提供了依据[12]。因此通过对上述关键词与矿产资源进行合并搜索，可得到深地震测深成果与矿产资源的关键词共现网络(图2)。从图中可以看出，目前地震测深成果在地热资源中的应用主要集中在福建和青藏高原地区。滕吉文等[13]认为，福建漳州盆地壳幔结构特殊，壳内透镜状低速体可能为潜在的干热岩，盆地边缘的深大断裂则为深部热能运移的通道。而青藏高原中地壳广泛发育的低速层可能为部分熔融的岩浆囊，从而形成规模宏大的地热带。

图2 地壳速度结构与矿产资源关键词共现网络

深地震测深结果在固体矿产勘查中也发挥着重要作用。地壳厚度与成矿带和金属矿产的分布往往具有一定的对应关系[14]，以内蒙古地区为例，地壳减薄区为铬、镍矿发育区，而地壳增厚区则为矽卡岩型和热液型内生金属矿床分布区，地壳厚度的陡变带由于往往存在岩石圈断裂，一般是金属矿产最为有利的成矿地带。华南地区的地壳厚度与金属矿床也存在类似的对应关系：在莫霍面隆起区域，幔源物质在成矿过程中起主导作用，主要形成以铜、铁为主的金属矿床；而在地幔坳陷区以及地壳厚度陡变的区域，则形成钨、锡、金、银、铅、锌等多金属矿床，反映壳幔之间强烈的相互作用过程。此外，地壳厚度和地表高程与金矿床之间也具有密切的对应关系，地壳厚度为35 km、地表高程为200 m左右的区域为金矿床产出的有利区[15]。

深地震测深结果可为CO2等天然气藏的识别提供依据。中国东部盆地内CO2气藏范围与盆地中地壳的低速层范围往往较为一致，推测其可能为晚期地幔释放岩浆和富含CO2流体的中转积聚区。据此，前人认为在发育深大断裂的镜像盆地内，壳内低速体是大型天然气藏的重要指示。

此外，部分学者应用低速体、地壳结构等进行动力学和成矿背景研究。彭聪等[16]根据全国大量的深地震测深成果，结合中国大陆主要成矿域，对地壳速度结构与成矿作用的关系进行总结，认为高速的下地壳反映了幔源物质上升的底侵作用，一般产出镍矿床；“墙式”S波低速带反映了地壳的部分熔融，是深部成矿的有利地带，对应壳幔源成矿的铁、铜多金属成矿带。

由此可见，深地震测深方法获得的地壳速度与地壳厚度数据对于矿产资源勘查具有重要作用。但前人所采用的地壳厚度数据并不十分准确，大多是通过重力反演等方法得到。而地震测深方法可以给出更为精确的地壳厚度数据，利用全国范围内大量的人工地震测深成果，通过地质统计学的插值方法，可得到高精度的全省/全国地壳厚度数据，例如华北地区的地壳结构模型HBCrust1.0、川滇地壳结构模型V1.0等。因此，应当加强深地震测深成果的总结，提供可供社会应用的成果产品，从而更好地发挥地震测深数据在矿产资源勘查方面的作用。

2.3 海洋深部探测中的应用

随着天然气水合物和海洋油气等资源重要性的日益凸显，以及维护我国海洋权益，为海洋划界提供科技支持，深地震测深工作在海洋深部结构探测中得到快速发展。尤其是2003年中国科学院地质与地球物理研究所成功研制完全自主知识产权的OBS海底地震仪，极大促进了我国海洋测深工作的发展。在当前海洋深部结构探测中，主要采用OBS海底地震仪开展广角地震观测，对海洋地壳结构、速度结构以及莫霍面形态等进行研究。

目前海洋地震测深测线大多位于海陆过渡带的大陆边缘等区域。近年来完成的地震测深测线有南海南部陆缘测线OBS973-1/2/3、北部陆缘测线OBS2006-1/3、东北部陆缘测线OBS-2012、东部陆缘测线T1和T2、珠江口海陆联测OBS2010，渤海湾测线OBS2010、2011、渤海湾东南部测线OBS-2013、南黄海OBS-2013SYS海陆联测、中韩合作的横贯黄海的广角剖面，以及横穿整个东海陆架至冲绳海槽的广角地震等测线。

地震测深数据采集主要使用OBS，由于海洋测深中OBS检波器布设与回收较为困难，因此仪器数量较少，约为20～40台，台间距普遍较大，一般为10～30 km左右。海洋地震测深的震源为气枪震源，采用重复激发方式以增强信号。海洋测深资料处理与陆地测深资料处理类似，包括预处理、震相识别与模型构建，识别的震相包括直达水波Pw、沉积层震相Ps、基底折射震相Pg、莫霍面反射震相PmP、上地幔顶部折射震相Pn等。

海洋地震测深成果在陆缘构造、沉积盆地结构、天然气水合物研究等方面都具有重要意义，主要是利用地壳厚度、莫霍面等结果进行相关讨论与研究。郝天珧等[17]基于海洋地震测深结果对中国海莫霍面深度进行反演，结果表明不同区域地壳性质与构造演化过程存在差异；祁江豪等[18]基于海陆联测深地震测深资料获得盆地速度结构，认为胶莱盆地可向南黄海方向延伸至连云港-石岛断裂附近，在南黄海区域内的盆地凹陷具有较好的油气前景；Zhao等[19]利用渤海湾海陆联测得到壳幔速度结构，并对苏鲁造山带与华北、扬子板块的相互作用关系进行讨论，认为扬子板块向华北板块俯冲导致苏鲁造山带的隆升；Xia等[20]利用海陆联测资料对南澳7.5级大地震震源区的三维地壳速度结构进行分析，为海陆交互带的开发与建设提供了重要的地质支撑。

需要指出的是，海陆地震联测对于海陆对比、研究海陆过渡带的深部结构等具有重要意义，是解决当今海洋地质问题的关键。陆地观测炸药震源激发能量强，地震信号传播距离远，而且观测点距小、分辨率高；气枪震源绿色环保，可重复激发，易产生S波，有助于进行泊松比计算和地壳成分的讨论。因此，在后续测深工作中，应当充分发挥两种模式的激发和观测优势，实行海陆联合观测，填补海陆过渡带地震测深的研究空白。

3 结 语

中国地震局提出“透明地壳”“解剖地震”“韧性城乡”等项目，中国地质科学院推出“深地资源勘查开采”重点专项，这些都是为解决“向地球深部进军”这一战略科技问题所成立的科技专项，为深地震测深工作的发展提供了良好的机遇。

但与此同时，深地震测深工作目前也面临着严峻挑战。一方面，随着环保的要求，深地震测深所需要的炸药震源正逐渐受到限制，爆破手续审批工作也较为繁琐。另一方面，地震测深大多只能提供二维地壳速度结构，难以满足目前对于三维结构的需求，因此正逐渐被快速发展的密集地震台阵流动观测技术所替代。此外，深地震测深成果的应用还不够充分，对于地壳结构与区域地震分布规律之间的研究还存在不足，地震测深成果在矿产资源勘查中的应用价值也未能充分发挥。

针对炸药震源面临的困境，陈颙等[21]指出应加强气枪等新型绿色震源在地壳结构研究中的应用，而且气枪资料能够解决传统炸药震源难以产生S波的缺陷，有利于对地壳S波速度结构及泊松比等进行研究。深地震反射与折射连同震源、同机联合采集技术的突破，为两种资料的优势互补和联合处理提供了可能。深地震测深资料在加强处理方法研究之外，应当强调同其他技术的联合处理，如深反射联合成像、被动源地震联合成像等，提高成像的精度与维度，构建更适应需求的三维地壳结构。此外，深地震测深方法除在岩石圈结构、地震构造探查与地球动力学研究中发挥作用之外，还应加强在深部矿产与海洋资源勘探开发中的应用。需要指出的是，深地震测深资料的数据库相对较少，仅国土资源部“中国岩石圈三维结构专项计划”建成了深地震测深数据库，包含11条地学断面以及宽角反射/折射剖面，表明该方面工作未得到充分重视，应当加强已有资料的整理建库工作，使其更容易被其他学科应用，这对提升地震测深资料的解释水平也会有很大帮助。